Ядрено делене: определение, механизъм, верижна реакция, приложения и история

Ядрено делене: ясно обяснение на механизма, верижните реакции, приложения в енергетиката и оръжията и историческото откритие — всичко за безопасност, риск и ползи.

Ядреното делене е вид ядрена реакция. При нея един атом се разпада на по-малки атоми. При някои реакции на делене се отделя много енергия и те се използват в ядрените оръжия и ядрените реактори. Ядреното делене е открито през декември 1938 г. от германския ядрен химик Ото Хан и неговия асистент Фриц Страсман в Берлин.

Атомът е най-малката частица, от която се състои даден химичен елемент (напр. водород, кислород, магнезий). Всички атоми са много малки. Атомите се състоят от три компонента или частици: Протони, неутрони и електрони. Протоните и неутроните са събрани заедно в топче, наречено ядро, в центъра на всеки атом. Електроните обикалят около ядрото в неговия "електронен облак". Елементи с големи ядра, като уран и плутоний, могат да се разделят.

Ако (относително) много голямо атомно ядро бъде ударено от бавно движещ се неутрон, то понякога става нестабилно и се разпада на две ядра. Когато ядрото се разпадне (или се раздели), се отделя енергия, най-вече под формата на гама лъчи и топлина. Освен това от ядрото се освобождават някои неутрони.

При няколко изотопа (атом с еднакво количество протони, но различно количество неутрони) такова делене може да освободи много неутрони. Ако тези неутрони попаднат в други атоми, те ще ги накарат да се разцепят. Това може да се случи отново и отново. Това се нарича ядрена верижна реакция и може да освободи огромни количества енергия много бързо. Количеството енергия, освободено при верижна ядрена реакция, се измерва в килотонове. Един килотон се равнява на енергията на хиляда тона тротил (тринитротолуол).

При ядрената бомба това трябва да стане много бързо, за да се получи много голям взрив. В ядрения реактор това трябва да става бавно, за да се получи топлина. Топлината се използва за сваряване на вода в пара, която завърта парна турбина за производство на електроенергия.

Как протича ядрено делене

Типичното индуцирано делене започва, когато неутрон попадне в голямо още по-нестабилно ядро (например уран или плутоний). Ядрото поглъща неутрона и се превръща в възбудено състояние, което след кратко време се разкъсва на две по-малки фрагменти (фрагменти на делене). При това се отделя енергия, главно като кинетична енергия на фрагментите (която бързо се превръща в топлина) и като електромагнитно лъчение (гама-лъчи). Освен това се отделят обикновено 2–3 свободни неутрона, които могат да предизвикат допълнително делене.

Някои количествени характеристики, полезни за разбиране на процеса:

• Енергията, отделяна при едно делене е от порядъка на ~200 MeV (мегаелектронволта), което е огромно на атомно ниво и се трансформира в топлинна енергия.
• Средно при делене на U-235 се отделят около 2,4 неутрона на едно делене; при други изотопи стойността може да е различна.
• Продуктите от делене са обикновено радиоактивни изотопи (фрагменти като йод-131, цезий-137 и др.), които излъчват бета и гама радиация и имат различни периоди на полуразпад.

Верижна реакция и контрол

Верижната реакция настъпва, когато част от освободените неутрони причиняват ново делене. За да се поддържа контролируем процес (напр. в реактор), е необходимо средата да бъде проектирана така, че средно точно един неутрон да предизвика следващо делене — това състояние се нарича критичност:

• Подкритично — всяка верига умира (по-малко от един неутрон предизвиква следващо делене на средно).
• Критично — реакцията е устойчива и мощността остава постоянна (единичен неутрон предизвиква едно следващо делене средно).
• Сврекритично — броят на деленията расте експоненциално и мощността се увеличава.

В ядрените реактори верижната реакция се регулира чрез:

• Модератори (вода, тежка вода, графит) — забавят бързите неутрони до термални енергии, при които някои изотопи, напр. U-235, имат по-голяма вероятност за делене.
• Регулаторни (контролни) пръти — съдържат материали като бор или кадмий, които поглъщат неутрони и намаляват броя им, достигащи до горивото.
• Дизайн на горивото и геометрията — определя вероятността неутроните да ударят друго гориво вместо да избягат или да бъдат погълнати от други материали.

Приложения

Ядреното делене има както мирни, така и военни приложения:

• Производство на електрическа енергия — повечето ядрени електроцентрали използват делене за генериране на топлина, която се превръща в пара и задвижва турбини.
• Двигатели за военни и граждански кораби — ядрените подводници и някои големи кораби използват ядрена енергия за дълготрайна автономност без зареждане с гориво.
• Медицински и индустриални изотопи — реакторите произвеждат радионуклиди за диагностика и лечение, както и за промишлени приложения.
• Ядрени оръжия — използват неконтролирани сврекритични реакции за освобождаване на големи количества енергия за кратко време.

Видове реактори и технологии

Съществуват различни типове реактори, проектирани според използваното гориво, модератор и охлаждащо средство: водно под налягане (PWR), кипящ воден реактор (BWR), реактори с тежка вода (CANDU), газоохлаждани и бързи реактори (без модератор), които могат да работят като размножители (breeders) и да произвеждат повече делящи се материали.

Опасности и управление на отпадъците

При деленето се образуват радиоактивни отпадъци и излъчвания, които изискват сигурно управление:

• Краткоживотните фрагменти от делене отделят значителна радиация веднага след спирането — това налага охлаждане и отлежаване в басейни за охладителна вода.
• Дългоживотните изотопи (напр. цезий-137, стронций-90) изискват дългосрочно съхранение и обезопасяване; търсят се решения като задълбочено геологично погребване.
• Рискът от аварии (топене на сърцевината), разпадане на охладителни системи и разпръскване на радиоактивни вещества налага множество системи за безопасност, резервни охлаждащи системи и контейнмънт структури.

Кратка история и ключови моменти

Откритието на деленето през 1938 г. от Ото Хан и Фриц Страсман в Берлин бе последвано от теоретично обяснение на процеса от Лизе Майтнер и Отто Фриш. По време на Втората световна война проектът "Манхатън" в САЩ доведе до разработването и използването на първите ядрени оръжия (Хирошима и Нагасаки, 1945 г.). Първата контролируема верижна реакция бе постигната през 1942 г. от екипа на Енрико Ферми в Чикаго (Chicago Pile-1). След войната технологията бе адаптирана за производство на електроенергия и през 1950-те години започна масовото изграждане на граждански атомни електроцентрали.

Заключение

Ядреното делене е мощен източник на енергия с голям потенциал за производство на електричество и за медицински и индустриални приложения. В същото време то носи значителни предизвикателства по отношение на безопасността, управлението на отпадъците и риска от разпространение на оръжия. Съвременните проекти и регулации са насочени към повишаване на безопасността, намаляване на отпадъците и развитие на технологии за по-ефективно и по-сигурно използване на ядрената енергия.

Въпроси и отговори

Въпрос: Какво представлява ядреното делене?

В: Кой е открил ядреното делене?

Въпрос: От какво се състоят атомите?

Въпрос: Кои елементи могат да бъдат подложени на делене?

Въпрос: Как протича верижната реакция по време на ядреното делене?

В: Как се използва топлината, генерирана при ядреното делене?

Търсене по буква